Спосіб аналізу поверхні твердого тіла

Изобретение относится к области диагностики поверхности твердого тела методами ионной спектроскопии и может быть использовано для анализа состава, структуры и физико-химического состояния поверхности массивных и пленочных твердотельных объектов. В методах ионной спектроскопии, основанных на вторично-эмиссионных явлениях, используют бомбардировку поверхности твердого тела сфокусированными пучками ионов с последующей регистрацией и расшифровкой спектров эмитированных поверхностью частиц: ионов (вторично-ионная масс-спектроскопия), электронов (ионно-электронная спектроскопия) или фотонов (ионно-фотонная спектроскопия). Элементная, изотопная и концентрированная чувствительность анализа поверхности этими методами определяется величиной полезного сигнала, т.е. током эмитированных ионов, электронов или фотонов, который увеличивается пропорционально плотности тока бомбардирующих ионов. В то же время минимально возможные для данного способа размеры анализируемого участка поверхности, находятся в прямой зависимости от диаметра бомбардирующего ионного пучка, сфокусированного на поверхности образца. Известны способы анализа поверхности твердого тела методом вторично-ионной масс-спектрометрии, которые заключаются в бомбардировке поверхности пучками ионов инертных или химически активных газов, испускаемых газовыми источниками ионов, с последующим выбиванием из поверхности вторичных ионов, и их масс-спектрометрическим анализом [В.Т.Черепин, М.А.Васильев. Методы и приборы для анализа поверхности материалов. - Киев: Изд-во "Наукова думка", 1982, с.284]. Эти способы не позволяют осуществлять анализ поверхности твердого тела пучками ионов с плотностью тока ионов более 1 А/см2 и диаметром пучка бомбардирующих ионов на образце менее 3 мкМ, что ограничивает, соответственно, предельную чувствительность анализа и минимальную площадь анализируемого участка поверхности. Более высокая плотность и фокусировка пучка бомбардирующих ионов на образце может быть достигнута за счет применения точечных источников ионов, таких как жидкометаллические источники ионов (ЖМИИ) [В.Т.Черепин. Микрозондовый анализ. -Киев: Изд.-во "Наукова думка" 1992, с, 130. Наиболее близким к предлагаемому является способ анализа поверхности твердого тела заключающийся в испускании ионов с остоия ЖМИИ. фокусировке пучка испущенных ионов на поверхности образца и бомбардировке поверхности с последующим выбиванием из поверхности вторичных частиц (ионов, электронов или фотонов) и их анализом [В.Т. Черепин, Микрозондовый яиапич - Киев· Изд-во "Наукова думка", 1992 с 197]. Недостатком этого способа является ограниченная чувствительность анализа и относительно большая площадь анализируемой поверхности, что связано неизбежными потерями тока бомбардирующих ионув при их фокусировке в узкий пучок и сложностью транспортировки такого сфокусированного пучка к поверхности образца. В результате, достигаемая плотность тока ионов на поверхности образца не превышает единиц А/см. а диаметр ионного пучка на поверхности образца составляет не менее микрометра. В основу изобретения положена задача создать способ анализа химического состава, структуры и физико-химического состояния поверхности твердого тела, обладающий более высокой чувствительностью при меньшей площади анализируемого участка поверхности, обеспечивающий улучшение качества анализа. Поставленная задача достигается тем, что бомбардируют поверхность образца пучком ионов, испускаемых с острия жидкометаллического источника ионов с последующим выбиванием из поверхности вторичных частиц и их анализом, предварительно разместив жидкометаллический источник ионов непосредственно вблизи поверхности образца и установив зазор d между иглой жидкометаллического источника ионов и поверхностью, определяемый из выражения где D - заданный диаметр анализируемого участка поверхности угла a- угол расходимости пучка бомбардирующих ионов, 40-60°. Предварительное размещение жидко-металлического источника ионов непосредственно вблизи поверхности образца и установка зазора d между иглой жидкометаллического источника ионов и поверхностью с последующей бомбардировкой поверхности образца пучком ионов, испускаемых с острия жидкометаллического источника ионов, выбиванием из поверхности вторичных частиц и их анализом, позволяют проводить анализ химического состава, структуры и физико-химического состояния поверхности твердого тела с более высокой чувствительностью при меньшей площади анализируемого участка поверхности, что обеспечивает улучшение качества анализа. Сущность предлагаемого способа поясняется с помощью чертежа. На чертеже схематически изображены жидкометаллический источник ионов 1, образец 2 и анализатор вторичных частиц 3. Способ реализуется следующим образом. Устанавливают зазор d между остием ЖМИИ 1 и поверхностью образца 2, определяемый из выражения где D- заданный диаметр анализируемого участка поверхности и a - угол расходимости пучка бомбардирующих ионов, так называемый конус Тейлора, 40-60°, определяемый сущностью физических процессов, протекающих в ЖМИИ [В.Т.Черепин. Микрозондовый анализ. - Киев: Изд-во "Наукова думка", 1992, стр. 132]. Прикладывая разность потенциалов между ЖМИИ и образцом, испускают ионы с остия ЖМИИ, бомбардируют поверхность пучком этих ионов и анализируют выбитые из поверхности образца вторичные частицы (ионы, электроны или фотоны) с помощью анализатора вторичных частиц. Например, при среднем угле расходимости пучка бомбардирующих ионов a=50°, диаметр анализируемой площадки поверхности порядка D= 0,15 мкМ обеспечивается при установке зазора d=0,15/2 tg 25°=0,16 мкМ. Даже при малых токах бомбардирующих ионов, испускаемых ЖМИИ, порядка 0,1 мкА, это создает плотность тока бомбардирующих ионов на поверхности образца порядка 500 А/см2, что повышает чувствительность анализа более чем на два порядка по сравнению с известными способами. Предложенный способ обеспечивает более высокую чувствительность анализа при меньшей площади анализируемого участка поверхности по сравнению с известными, т.к. при размещении ЖМИИ непосредственно вблизи анализируемой поверхности образца без каких либо промежуточных фокусирующих систем, все бомбардирующие ионы, без потерь, достигают поверхность в виде плотного, хорошо сфокусированного ионного пучка, диаметр которого на поверхности образца определяется величиной установленного зазора d. Изобретение является особенно перспективным при анализе материалов, применяемых в полупроводниковой, эмиссионной и криогенной электронике, ядерной энергетике, космическом материаловедении и других областях новой технике, где используются пленочные и массивные объекты, работоспособность которых определяется свойствами их поверхности. Способ прост в реализации как в лабораторных, так и в промышленных условиях.